Термостабильная тонкопленочная микросхема

 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в качестве прецизионного набора резисторов в системах управления, автоматике, измерительной технике и других отраслях народного хозяйства. Термостабильная тонкопленочная микросхема содержит корпус, выводы корпуса, диэлектрическую подложку, соединенную с корпусом посредством клеевого шва, узловую сеть тонкопленочных резисторов, элементы которой выполнены из N отдельных резисторов, а ее общее сопротивление зависит от структуры узловой сети и от значений сопротивления в ячейках этой структуры. Высокая стабильность электрических параметров и большая универсальность достигается определенным соединением и выполнением резисторов. 2 ил.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в качестве прецизионного набора резисторов в системах управления, автоматике, измерительной технике и других отраслях народного хозяйства.

Известен термостабильный пленочный резистор (см. а.с. N 989591, М.кл. H 01 C 7/00, 7/06, 1983 г.), содержащий диэлектрическую подложку с размещенным на ней пленочным покрытием в виде полос с разным удельным сопротивлением и температурным коэффициентом сопротивления, причем пленочное покрытие выполнено из одного материала в виде равных продольных чередующихся структурно-деформированных и недеформированных полос.

Недостатком термостабильного пленочного резистора является сравнительная технологическая сложность изготовления требуемой тонкопленочной структуры при невысокой воспроизводимости установочных параметров сопротивления и ТКС. Кроме того, данная структура обладает высокой чувствительностью к температурным напряжениям и деформациям, распределение которых на поверхности платы является нелинейным и зависит от геометрических размеров и физико-механических свойств слоев.

Известна тонкопленочная резистивная микросхема и способ ее изготовления (см. пат. ГДР N 128950, М.кл. H 01 C 7/00, 1977 г.), включающий последовательное нанесение на диэлектрическую подложку резистивного и проводящего слоев и формирование рисунка схемы, причем резистивный слой образуют из трех тонкопленочных слоев. Микросхема содержит диэлектрическую подложку, на которую нанесен путем осаждения сначала резистивный слой среднего сопротивления, затем слой высокого сопротивления и поверх него слой низкого сопротивления, проводящие слои. Требуемые параметры тонкопленочной структуры достигаются путем формирования рисунка соответствующей топологии и последующей подгонкой.

По сравнению с однослойной резистивной структурой трехслойная позволяет в определенной степени компенсировать возникающие в отдельных пленках механические напряжения. Сжимающие компенсируются растягивающими и наоборот.

Недостатком известной тонкопленочной микросхемы является то, что компенсация возникающих механических напряжений не всегда воспроизводима и зависит от технологических параметров осаждения. В результате ТКС отдельных тонкопленочных резисторов может существенно различаться. Кроме того, усложнен технологический процесс осаждения пленок, так как требует трех различных материалов.

Наиболее близкой, по мнению заявителя, к предполагаемой является конструкция тонкопленочной микросхемы (см. пат. США N 4782320, М.кл. H 01 C 7/22, 1989 г. ), резистивная структура которой, расположенная на общей подложке, представляет собой узловую сеть интегральных резисторов, выполненную в виде n-сторонней сетки из N отдельных резисторов, где N≥3. Узловая сеть подсоединена к двум выводам микросхемы, а ее полное интегральное сопротивление определяется структурой сети и значениями отдельных сопротивлений в ячейках этой структуры. Требуемое сопротивление интегрального резистора обеспечивается в процессе подгонки дискретно, путем отключения от цепи i-го резистора на основании запомненных данных и известных математических соотношений.

Анализ конструкции такой тонкопленочной микросхемы показывает, что из однотипной сетевой структуры можно получить любое сопротивление интегрального резистора требуемого ряда, а высокая технологичность, заключающаяся в возможности полной автоматизации подгонки и в минимальном необходимом воздействии подгоночного инструмента на тонкопленочную структуру позволяет стабилизировать сопротивление и ТКС.

Недостатком известной тонкопленочной микросхемы является высокая зависимость ее точностных электрических параметров от механических деформаций и термоупругих напряжений, распределение которых по поверхности общей подложки является нелинейным и зависит от ее геометрических размеров, которые, в свою очередь, определяются размерами самой микросхемы и количеством резисторов в узловой сети.

Достигаемый технический результат заключается в том, что тонкопленочная микросхема, содержащая корпус, выводы корпуса, диэлектрическую подложку, соединенную с корпусом посредством клеевого шва, узловую сеть тонкопленочных резисторов, элементы которой выполнены из N отдельных резисторов, а ее общее сопротивление зависит от структуры узловой сети и от значений сопротивления в ячейках этой структуры, причем требуемое значение интегрального сопротивления микросхемы обеспечено в процессе подгонки дискретно путем структурирования узловой сети на основании запомненных в процессе измерения данных и расчетных математических соотношений, имеет узловую сеть интегрального резистора, состоящую из отдельных резистивных чипов, выполненных на кристаллах, полученных путем деления общей диэлектрической подложки микросхемы на K частей разрезанием в продольном и поперечном направлениях, а отдельные резистивные чипы электрически соединены проволочными перемычками путем сварки или пайки таким образом, что в узловой резистивной сети связаны между собой механически лишь посредством "мягкого" клеевого шва, причем максимальное количество интегральных резисторов микросхемы зависит от параметра K и конструкции типового корпуса, а окончательная корректировка их точности - в результате подгонки сопротивления резистора отдельного чипа каждой узловой сети.

На фиг. 1 представлена геометрическая модель механической системы, используемая для обоснования достигаемого эффекта - снижения термоупругих напряжений и деформаций на электрические параметры интегральных резисторов, где 1 - основание интегральной микросхемы, 2 - клеевой шов (паяный шов), 3 - плата (диэлектрическая подложка), 4 - резистивный слой, 5 - защитный слой; 2l₁x2l₂ - габаритные размеры; h₁ - h₅ - соответственная толщина слоев; X, Y - координатные оси в плоскости подложки.

Физико-механические характеристики слоев рассматриваемой механической системы характеризуются параметрами: E_к - модуль упругости к-го слоя, μ_к - - коэффициент Пуассона к-го слоя, α_к - - коэффициент линейного расширения для материала к-го слоя для действующего температурного диапазона - t_к.

В соответствии с обобщенными законами Гука относительные температурные деформации вдоль осей X и Y для к-го слоя определяются выражениями где σ⁽_x^к),σ⁽_y^к) - температурные напряжения по осям X, Y для к-го слоя.

Так как механическая система, представленная на фиг. 1 имеет две степени свободы по осям X и Y, то результирующие осевые усилия всего пакета при температурном воздействии по осям X и Y равны нулю, а при этом справедливы следующие соотношения: Если также считать, что все пять слоев деформируются совместно по осям X и Y, то должно выполняться условие совместимости деформации, т.е.

Принимая во внимание соотношения (1 - 3), а также гипотезы Кирхгофа-Лява (см. , например, Гонтарь И.Н., Литвинов А.Н., Лугин А.Н. Методика расчета прочности корпусов микросхем. Электронная техника, сер. 8. Управление качеством, стандартизация, метрология. 1987, вып. 1 (124), с. 54-58), можно выразить любой исследуемый параметр для любого к-го слоя: температурные напряжения σ⁽_x^к),σ⁽_y^к) ; относительные температурные деформации ε⁽_x^к),ε⁽_y^к) ; линейные коэффициенты расширения α_к . Однако полное описание указанных систем уравнений ввиду своей громоздкости не представляется возможным на стадии проводимого анализа. В то же время, используя ЭВМ и сервисные программные продукты для проведения матричного анализа, несложно получить указанные зависимости и графики (см. отчет о НИР "ИРТЫШ", НИИЭМП, Пенза, 1995 г.).

Выполненный на ЭВМ анализ и расчеты показывают, что при используемых материалах основания микросхемы (металлостеклянный корпус), клея типа "Виксинт" ("мягкий" клеевой шов), подложки (ситалл) резистивного и защитных слоев с реальными геометрическими размерами толщин (см. на чертеже): h₁ = 0,5 мм; h₂ = 0,1 мм; h₃ = 0,6 мм; h₄, h₅<, - на величины температурных напряжений и деформаций представленной на фиг. 1 механической системы наибольшее влияние оказывает плата (диэлектрическая подложка). В то же время значения температурных напряжений и деформации для указанной системы (см. фиг. 1) с ситаловой подложкой значительно меньше, чем у механической системы с подложками из поликора или кремния. Кроме того, результаты показывают, что температурные напряжения и деформации нелинейно растут при увеличении геометрических размеров подложки по осям X и Y (в плоскости платы).

Проведенный анализ влияния температурных полей показывает, что значения термоупругих напряжений и деформаций возможно уменьшить за счет, в частности, уменьшения линейных размеров платы (подложки тонкопленочного резистора).

Так как такие электрические характеристики (параметры) тонкопленочной микросхемы, как нестабильность сопротивления и нестабильность ТКС, возрастают с ростом термоупругих напряжений и деформаций, что является общеизвестным фактором, то одним из путей повышения стабильности, как следует из приведенного анализа, является уменьшение геометрических размеров подложек или, как в предполагаемом изобретении, разбиение подложки на кристаллы, механически связанные друг с другом лишь посредством "мягкого" клеевого шва.

На фиг. 2 представлены разработанные тонкопленочные микросхемы в металлостеклянном корпусе типа 151.15-1 ("Терек") и в металлокерамическом корпусе 405.24-1 ("ТУФ"). Крупным планом представлена бескорпусная тонкопленочная микросхема, состоящая из отдельных кристаллов, полученных путем разрезания общей подложки на 19 продольных и 12 поперечных частей и представляющих каждый резистивный чип определенного сопротивления. Слева показаны используемые топологии резистивных чипов.

Выполненная таким образом конструкция тонкопленочной микросхемы, кроме более высокой стабильности электрических параметров, обладает в сравнении с прототипом гораздо большей универсальностью с точки зрения формирования узловой резистивной цепи (сети). Это осуществляется путем многовариантного соединения контактных площадок отдельных резистивных чипов проволочными перемычками ультразвуковой сварки (возможна пайка). Количество интегральных резисторов микросхемы зависит от количества полученных в процессе разрезания подложки кристаллов, количества выводов стандартного корпуса, а также от принятой базовой структуры узловой сети.

Кроме того, предложенная конструкция тонкопленочной микросхемы позволяет структурировать узловую чиповую (резистивную) сеть в площади микросхемы таким образом, что обеспечивается равномерность тепловых полей внутри корпуса микросхемы, а следовательно, достигается более высокая стабильность ее электрических параметров.

Предложенное устройство - термостабильная тонкопленочная микросхема, реализовано в ходе НИР по изделию "ИРТЫШ" и обладает следующими техническими характеристиками, подтвержденными в ходе технологических испытаний, метрологического контроля и госприемки: допустимое отклонение сопротивления от номинального значения: до ±0,002%, ТКС: до ±1·10^-6 1/^oC, стабильность сопротивления: до ±0,002%, с учетом конструктивных и эксплуатационных параметров заявленное изделие находится на уровне, превышающем достижения зарубежных аналогов тонкопленочных микросхем данного класса.

Таким образом, приведенный сравнительный анализ и эксплуатационные результаты подтверждают достижение технического эффекта, а предложенная термостабильная тонкопленочная микросхема по сравнению с прототипом и исследованными аналогами имеет ряд преимуществ, основным из которых является малая чувствительность к термоупругим напряжениям и деформациям.

Формула изобретения

Термостабильная тонкопленочная микросхема, содержащая корпус, выводы корпуса, интегральный резистор, расположенный на диэлектрической подложке, соединенной с корпусом посредством клеевого шва, а интегральный резистор представляет узловую сеть из N отдельных тонкопленочных резисторов, сопротивление которого зависит от структуры узловой сети и от значений сопротивления в ячейках этой структуры, причем требуемое значение сопротивления интегрального резистора достигается в процессе подгонки дискретно путем структурирования узловой сети на основании запомненных в процессе измерения данных и расчетных математических соотношений, отличающаяся тем, что узловая сеть интегрального резистора, состоящая из отдельных резистивных чипов, выполнена на кристаллах, полученных путем деления диэлектрической подложки микросхемы на К частей разрезанием в продольном и поперечном направлениях, а отдельные резистивные чипы электрически соединены проволочными перемычками путем сварки или пайки таким образом, что в узловой резистивной сети связаны между собой механически посредством "мягкого" клеевого шва, причем максимальное количество чипов зависит от параметра К и конструкции типового корпуса, окончательную же корректировку точности интегрального резистора выполняют путем подгонки сопротивления резистора отдельного чипа каждой ячейки узловой сети.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2